Реактивное колесо
Реактивное колесо (RW) используется в основном на космических кораблях для трехосного управления ориентацией и не требует ракет или внешних устройств подачи крутящего момента. Они обеспечивают высокую точность наведения, [1] : 362 и особенно полезны, когда космический корабль необходимо вращать на очень небольшую величину, например, когда телескоп направлен на звезду.
Реактивное колесо иногда используется (и называется) импульсным колесом , приводя его в действие с постоянной (или почти постоянной) скоростью вращения, чтобы обеспечить спутнику большое количество накопленного углового момента . Это изменяет динамику вращения космического корабля так, что возмущающие моменты, перпендикулярные одной оси спутника (оси, параллельной оси вращения колеса), не приводят непосредственно к угловому движению космического корабля вокруг той же оси, что и возмущающий момент; вместо этого они приводят к (как правило, меньшему) угловому движению ( прецессии ) оси космического корабля вокруг перпендикулярной оси. Это приводит к стремлению стабилизировать ось космического корабля, чтобы она указывала в почти фиксированном направлении. [1] : 362 что позволяет создать менее сложную систему управления ориентацией. Спутники, использующие этот подход стабилизации «смещением импульса», включают SCISAT-1 ; ориентируя ось импульсного колеса параллельно вектору нормали орбиты, этот спутник находится в конфигурации «смещения шагового импульса».
Гироскоп управляющего момента (CMG) — это родственный, но другой тип привода ориентации, обычно состоящий из импульсного колеса, установленного на одноосном или двухосном подвесе . [1] : 362 При установке на жесткий космический корабль приложение постоянного крутящего момента к колесу с помощью одного из карданных двигателей заставляет космический корабль развивать постоянную угловую скорость вокруг перпендикулярной оси, что позволяет контролировать направление наведения космического корабля. CMG, как правило, способны создавать более высокие устойчивые крутящие моменты, чем RW, с меньшим нагревом двигателя, и предпочтительно используются в более крупных или более маневренных (или обоих) космических кораблях, включая Skylab , Mir и Международную космическую станцию .
Теория
[ редактировать ]Реактивные колеса используются для управления ориентацией спутника без использования двигателей, что снижает массовую долю, необходимую для топлива.
Они работают, оснащая космический корабль электродвигателем, прикрепленным к маховику, который при изменении скорости его вращения заставляет космический корабль начать пропорционально вращаться в противоположном направлении за счет сохранения углового момента . [2] Реактивные колеса могут вращать космический корабль только вокруг его центра масс (см. Крутящий момент ); они не способны переместить космический корабль из одного места в другое (см. поступательную силу ).
Выполнение
[ редактировать ]Для трехосного управления реактивные колеса должны быть установлены как минимум по трем направлениям, при этом дополнительные колеса обеспечивают дублирование системы ориентации. Резервная монтажная конфигурация может состоять из четырех колес вдоль четырехгранных осей. [3] или запасное колесо в дополнение к трехосной конфигурации. [1] : 369 Изменения скорости (в любом направлении) контролируются электронным компьютером. Прочность материалов, используемых в реактивном колесе, определяет скорость, с которой колесо развалится, и, следовательно, какой угловой момент оно может сохранить.
Поскольку реактивное колесо составляет небольшую часть общей массы космического корабля и легко управляется, временные изменения его скорости приводят к небольшим изменениям угла. Таким образом, колеса позволяют очень точно изменять положение космического корабля . По этой причине реактивные колеса часто используются для наведения космических кораблей с камерами или телескопами.
Со временем реактивные колеса могут накопить достаточный запасенный импульс, чтобы превысить максимальную скорость колеса, называемую насыщением. Однако замедление колес приводит к возникновению крутящего момента, вызывающего нежелательное вращение. Поэтому конструкторы дополняют системы реактивных колес другими механизмами управления ориентацией, чтобы нейтрализовать крутящий момент, вызванный «обесцвечиванием» реактивных колес. [4] Обычно дизайнеры используют «системы управления реакцией»; массивы небольших химических ракетных двигателей, которые срабатывают при замедлении колес, чтобы противостоять крутящему моменту, который колеса передают космическому кораблю при замедлении. [4]
Со временем были разработаны более экономичные методы десатурации реактивного колеса. Уменьшая количество топлива, которое необходимо для запуска космического корабля, они увеличивают полезную полезную нагрузку, которую можно доставить на орбиту. К этим методам относятся магниторкеры (более известные как крутящие стержни), которые передают угловой момент Земле через ее планетарное магнитное поле, требуя только электроэнергии и без топлива. [1] : 368 Однако они ограничены областями космоса с достаточно большим магнитным полем (например, на низкой околоземной орбите). В отсутствие достаточно сильного магнитного поля следующим наиболее эффективным методом является использование высокоэффективных реактивных двигателей, таких как ионные двигатели .
Примеры космических кораблей с использованием реактивных колес
[ редактировать ]Берешит
[ редактировать ]Берешит был запущен на ракете Falcon 9 22 февраля 2019 года в 1:45 UTC. [5] с целью высадки на Луну . Beresheet использует технологию передачи низкой энергии для экономии топлива. Со времени своего четвертого маневра [6] на его эллиптической орбите для предотвращения трясок при исчерпании количества жидкого топлива возникла необходимость использовать реактивное колесо.
Космический телескоп Джеймса Уэбба
[ редактировать ]Космический телескоп Джеймса Уэбба имеет шесть реактивных колес, построенных Rockwell Collins Deutschland. [7]
Световой Парус 2
[ редактировать ]LightSail 2 был запущен 25 июня 2019 года и основан на концепции солнечного паруса . LightSail 2 использует систему реактивных колес для изменения ориентации на очень небольшие величины, что позволяет ему получать различное количество импульса от света , проходящего через парус, что приводит к увеличению высоты. [8]
Неудачи и влияние миссии
[ редактировать ]Отказ одного или нескольких реактивных колес может привести к тому, что космический корабль потеряет способность сохранять положение (ориентацию) и, таким образом, потенциально может привести к провалу миссии. Недавние исследования пришли к выводу, что эти сбои могут быть связаны с эффектами космической погоды . Эти события, вероятно, вызвали неисправности из-за возникновения электростатического разряда в стальных шарикоподшипниках колес Ithaco , что поставило под угрозу плавность работы механизма. [9]
Космический телескоп Хаббл
[ редактировать ]Две миссии по обслуживанию космического телескопа Хаббл заменили реактивное колесо. В феврале 1997 года Вторая миссия обслуживания ( STS-82 ) сменила одну [10] после «электрических аномалий», а не какой-либо механической проблемы. [11] Исследование возвращенного механизма предоставило редкую возможность изучить оборудование, прошедшее длительную службу (семь лет) в космосе, в частности, на предмет воздействия вакуума на смазочные материалы . Смазочный состав оказался в «отличном состоянии». [11] В 2002 году во время миссии обслуживания 3B ( STS-109 ) астронавты шаттла «Колумбия» заменили еще одно реактивное колесо. [10] Ни одно из этих колес не вышло из строя, и Хаббл был спроектирован с четырьмя резервными колесами и сохранял способность наведения до тех пор, пока три работали. [12]
Хаябуса
[ редактировать ]В 2004 году во время полета космического корабля «Хаябуса» вышло из строя реактивное колесо оси X. Колесо оси Y вышло из строя в 2005 году, в результате чего для поддержания ориентации корабля пришлось использовать химические двигатели. [13]
Кеплер
[ редактировать ]С июля 2012 года по 11 мая 2013 года два из четырех реактивных колес телескопа Кеплер» « вышли из строя. Эта потеря серьезно повлияла на способность «Кеплера » сохранять достаточно точную ориентацию для продолжения своей первоначальной миссии. [14] 15 августа 2013 года инженеры пришли к выводу, что реактивные колеса Кеплера не подлежат восстановлению и что поиск планет с использованием транзитного метода (измерение изменений яркости звезд, вызванных обращением планет по орбитам) не может продолжаться. [15] [16] [17] [18] Хотя вышедшие из строя опорные колеса все еще работают, они испытывают трение, превышающее допустимый уровень, и, следовательно, препятствуют способности телескопа правильно ориентироваться. Телескоп «Кеплер» был возвращен в «состояние точечного покоя», стабильную конфигурацию, которая использует небольшое количество топлива двигателя для компенсации отказа реактивных колес, в то время как команда «Кеплера» рассматривала альтернативные варианты использования «Кеплера» , не требующие предельной точности его ориентации. необходимо для исходной миссии. [19] 16 мая 2014 года НАСА расширило миссию «Кеплер» до новой миссии под названием K2 , которая использует «Кеплер» по-другому, но позволяет ему продолжать поиск экзопланет . [20] 30 октября 2018 года НАСА объявило об окончании миссии «Кеплер» после того, как было установлено, что запасы топлива исчерпаны. [21]
Рассвет
[ редактировать ]В июне 2010 года у космического зонда НАСА « Рассвет» в одном реактивном колесе возникло избыточное трение. Первоначально планировалось, что он покинет Весту и начнет свое двухлетнее путешествие к Церере 26 августа 2012 года; [22] однако проблема с другим реактивным колесом космического корабля вынудила Dawn ненадолго отложить его отход от гравитации Весты до 5 сентября 2012 года, и она планировала использовать реактивные двигатели вместо реактивных колес во время трехлетнего путешествия на Цереру. [22] Потеря реактивных колес ограничила возможности камеры на подлете к Церере.
Обсерватория Свифта
[ редактировать ]Вечером во вторник, 18 января 2022 года, возможный отказ одного из реактивных колес обсерватории Свифт заставил команду управления полетом отключить подозрительное колесо, переведя обсерваторию в безопасный режим в качестве меры предосторожности. Это был первый случай отказа реактивного колеса на Swift за 17 лет. Свифт возобновил научную деятельность 17 февраля 2022 года. [23]
См. также
[ редактировать ]- Collins Aerospace , владелец компании Ithaco Space Systems, Inc. , создателя злополучных реактивных колес для (среди прочих) космических кораблей «Кеплер», «Доун» и «Хаябуса».
- Гироскоп управляющего момента
- Система контроля реакции
- ROSAT , спутник потерян из-за превышения ограничений в его зоне управления.
- Движение космического корабля
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Уайли Дж. Ларсон и Джеймс Р. Верц (январь 1999 г.). Анализ и проектирование космических миссий (3-е изд.). Микрокосм Пресс. ISBN 1-881883-10-8 .
- ^ «Колесо реакции/импульса» . НАСА . Проверено 15 июня 2018 г.
- ^ «Контроль отношения» . Институт космических систем Штутгартского университета . Проверено 12 августа 2016 г.
- ^ Jump up to: а б mars.nasa.gov. «Устройства управления — НАСА» . mars.nasa.gov . Проверено 12 января 2024 г.
- ^ «Израиль-лунная-миссия-запущена-успешно» . Глобусы . 22 февраля 2019 г.
- ^ "космический корабль проводит еще один успешный маневр" . Глобусы . 19 марта 2019 г.
- ^ [1] Гироскопы и реактивные колеса космических кораблей. Вам никогда не будет достаточно | Фрейзер Кейн | Вселенная сегодня | август 2019 г.
- ^ «космический корабль-световой парус-2-готовится к плаванию-на-солнечном свете», финансируемый за счет краудфандинга . 21 июня 2019 г.
- ^ В. Бялке, Э. Ханселл « Недавно обнаруженная ветвь дерева неисправностей, объясняющая системные отказы и аномалии колеса реакции », 2017 г.
- ^ Jump up to: а б «Команда Хаббла: Миссии по обслуживанию — Миссия по обслуживанию 3B» .
Астронавты заменили один из четырех узлов реактивного колеса, составляющих систему управления наведением Хаббла.
- ^ Jump up to: а б Карре, диджей; Бертран, Пенсильвания (1999). «Анализ смазки реактивного колеса космического телескопа Хаббл». Журнал космических кораблей и ракет . 36 (1): 109–113. Бибкод : 1999JSpRo..36..109C . дои : 10.2514/2.3422 .
- ^ «Гироскопы» . ЕКА . Проверено 8 апреля 2016 г.
- ^ «Хаябуса» . НАСА . Архивировано из оригинала 1 июня 2013 года . Проверено 15 мая 2013 г.
- ^ Майк Уолл (15 мая 2013 г.). «Космический корабль «Кеплер», охотящийся за планетами, потерпел серьезную неудачу, сообщает НАСА» . Space.com . Проверено 15 мая 2013 г.
- ^ «НАСА прекращает попытки полностью восстановить космический корабль Кеплер, рассматриваются потенциальные новые миссии» . 15 августа 2013 года . Проверено 15 августа 2013 г.
- ^ До свидания, Деннис (15 августа 2013 г.). «Кеплер НАСА выздоровел, но никогда не сможет полностью восстановиться» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 15 августа 2013 г.
- ^ Уолл, Майк (15 августа 2013 г.). «Дни охоты за планетами космического корабля НАСА «Кеплер», вероятно, закончились» . Space.com . Проверено 15 августа 2013 г.
- ^ «Кеплер: НАСА отказывается от плодотворного телескопа, занимающегося поиском планет» . Новости Би-би-си . 16 августа 2013 г.
- ^ Хантер, Роджер. «Обновление диспетчера миссии Кеплера: результаты испытаний на наведение» . НАСА.gov . НАСА . Проверено 24 сентября 2013 г.
- ^ Собек, Чарли (16 мая 2014 г.). Джонсон, Мишель (ред.). «Обновление менеджера миссии Кеплер: К2 одобрен!» . НАСА.gov . Представитель НАСА: Брайан Данбар; Изображение предоставлено: НАСА Эймс/В. Стензель. НАСА . Архивировано из оригинала 17 мая 2014 года . Проверено 17 мая 2014 г.
- ^ Чжоу, Фелисия (30 октября 2018 г.). «НАСА выводит из эксплуатации космический телескоп «Кеплер» и передает факел охоты за планетами» . НАСА . Проверено 16 ноября 2018 г.
- ^ Jump up to: а б Кук, Цзя-Руй К. (18 августа 2012 г.). «Инженеры Dawn оценивают реактивное колесо» . НАСА/Лаборатория реактивного движения. Архивировано из оригинала 15 марта 2015 года . Проверено 22 января 2015 г.
- ^ НАСА Обсерватория Свифт НАСА возвращается к науке Новости НАСА, 18 февраля 2022 г., НАСА. Проверено 16 апреля 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Синклер, Дуг; Грант, К. Корделл; Зи, Роберт Э. (2007). «Включение технологии реактивного колеса для высокоэффективного управления ориентацией наноспутников» (PDF) .
- «Колесо реакции в Wolfram Research» . Июнь 2008 года.
- Маркли, Ф. Лэндис; Рид Дж. Рейнольдс; Фрэнк X. Лю; Кеннет Л. Лебсок (2009). «Максимальный крутящий момент и импульс для массивов реактивных колес» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.